支盘桩盘体形状对承载性状影响的研究

2015-02-19卢成原朱晨泽汪金勇

浙江工业大学学报 2015年3期

关键词：模型试验承载力

卢成原，朱晨泽，汪金勇

(浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州 310014)

支盘桩盘体形状对承载性状影响的研究

卢成原，朱晨泽，汪金勇

(浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州 310014)

摘要：支盘桩作为一种比较常用的变截面新型桩，具有很大的承压、抗拔和抗水平荷载的能力，而且稳定性好，具有显著的经济效益，但在理论和试验研究方面还不成熟，特别是盘本身的形态对其承载力的影响方面的研究少之又少.笔者设计了一组支盘桩室内模型试验，来研究不同盘体形状对支盘桩承载性能的影响，分别对盘底倾角为20°，30°，45°，60°的模型支盘桩进行加载试验.试验数据表明：支盘桩由于盘底倾角不同其承载力是不同的，随着该倾角由小变大，桩的承载力既不是越来越大，也不是越来越小，而是存在某一个最佳倾角使支盘桩的承载力达到最佳状态.

关键词：支盘桩；模型试验；盘底倾角；承载力

Experimental study on bearing capacity behavior of disk pile

with different shape of disk

LU Chengyuan, ZHU Chenze, WANG Jinyong

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Disk pile is a new type of frequently-used pile .The Mechanism of action of this pile is like the root structure that has high bearing capacity under vertical load, uplift load and horizontal load. On the other hand, it has good stability and economic benefits. However, the theory and experiment of the pile with expanded plates is not very mature, especially the effect of shape of disks on the bearing capacity of the pile. Designing one set of indoor model test to find the mechanism of bearing capacity of disk piles with different shape of disk. Load text of the disk pile is carried out in sand. The bottom angles of disk are respectively 20°,30°,45° and 60°. The recorded data show that the disk pile with different bottom angles have different bearing capacity. As the angle changes from small to big, the bearing capacity of pile is neither bigger and bigger, not more and more small, but there is an optimal angle.

Keywords:disk pile; model test; the angle of disk; bearing capacity

支盘桩作为一种比较常用的变截面新型桩，相对于等直径桩其承载力更高，变形沉降更小，节约材料的同时，还具有适应性强的特点，并在众多实际工程中得到了应用[1].但是，支盘桩在理论和试验研究上还不够成熟完善，目前国内所研究的主要是支盘桩的各种承载性能，有关支盘桩本身的盘径和盘体形状(盘底倾角、高宽比)对桩本身承载力的影响方面的研究相对较少，而实际上在土体中不同形状支盘的盘底土压力的传递途径是不同的，因此通过试验研究支盘桩盘体形状对其承载力的影响是具有现实意义的.

1试验概况

本次试验的装置包括一个模型试验箱，模型桩，加载设备以及百分表、微型土压力盒等测试仪器[2-4].

模型桩采用铝合金管制成，直径为32 mm，管壁厚为2 mm，长650 mm.模型支盘桩的支盘体直径为96 mm，采用四种不同盘形的支盘桩，其盘底与水平面夹角分别为20°，30°，45°和60°，盘体通过螺丝与桩身紧密固定，模型桩示意图如图1所示(以盘底倾角30°为例).

图1　支盘状模型Fig.1　Model of disk′piles

因本次试验试件较小，所加荷载也比较小，所以选择比较简单的杠杆加载，加载由加载托盘和砝码实现，加载钢管压杆自重5 N,在数据处理中已经计算入内.试验所用模型箱的尺寸为1 200 mm×600 mm×850 mm.应变片等距离设置在桩身两侧，每个桩身共五对测点，读数取一对的平均值，应变片和土压力盒的布置如图2所示.土压力盒与分析系统用半全桥接线方式.应变片从桩顶向下依次编号为①，②，③，④，⑤.

图2　应变片布置示意图Fig.2　Strain gauge layout diagram

试验在砂土中进行，砂土的物理性质参数见表1.

表1　砂土土工试验参数

本试验加载采用分级加载，对等直径桩每级荷载为50 N，对支盘桩每级荷载为200 N.每级加载完成当沉降量达到稳定标准后，记录百分表读数和应变仪上的土压力盒与应变片应变值读数，然后进行下一级荷载加载，直到总沉降量超过6 mm为止(假定沉降达6 mm为桩承载力标准).

2竖向荷载和位移对比分析

根据百分表读数绘制支盘桩与等直径桩的Q—S曲线，如图3，4所示.

由图3，4各模型桩的Q—S曲线，以竖向沉降6mm为竖向承载力标准，则等直径桩承载力约为371 N，不同盘底倾角支盘桩的承载力见表2.

显而易见，支盘的存在大大提高了桩的承载力，而倾角30°时混凝土的理论用量只比等直径桩增加了7.40%，大大提高了桩体的经济效益.

图3　等直径桩Q—S曲线Fig.3　Equal diameter pile Q-S curve

图4　不同盘底倾角下支盘桩Q—S曲线Fig.4　Disk′piles under different bottom angle Q-S curve

从表2可以看出：当盘底倾角为30°时，承载力最高，说明支盘桩盘底的倾角不同对桩的承载力有影响，该角度偏大和偏小时桩的承载力均会降低，在某个理想角度时承载力最大，即就本试验而言，该理想角度为30°.这是由于支盘桩的盘体底部与水平方向存在一定的倾角有利于盘传给土体的压力斜向扩散，可以使更大范围土体对桩提供承载力(图5).盘底倾角较小时，虽然土体作用在盘体上反力的垂直分量大，但由于土体受压缩范围小，产生的压缩变形大，甚至会较早沿盘周边产生剪切破坏；而盘底倾角较大时，盘底与土体的摩擦作用增大，其端承作用减小，当盘土之间的摩擦力达到极限后，盘体易产生刺入破坏，从而产生很大的竖向变形.这就是本次试验盘底倾角为30°时支盘桩达到最大承载力的原因[5-7].

3桩身轴力对比分析

根据试验记录的桩身应变数据计算得到桩身轴力变化曲线如图6，7所示.

图6　1 kN荷载下等直径桩与支盘桩桩身轴力Fig.6　Axial force of equal pile and disk′piles under 1 kN

图7　1 kN荷载下不同支盘桩桩身轴力Fig.7　Axial force of different disk′piles under 1 kN

通过对图6即等直径桩与30°下倾角支盘桩桩身轴力变化图分析，可以得到：等直径桩和支盘桩支盘以上部分桩身的应变沿着桩身的深度在很小范围内逐渐减小，桩身轴力也同时减小，这是由于随着桩身深度的增加，桩身轴力通过桩土之间的摩擦力逐渐传递给了桩周土，但是这一荷载传递量相对于荷载的大小来说很小.

通过对图7在1 kN荷载下不同盘底倾角下支盘桩桩身轴力可以看出：桩身轴力在支盘处完成了突变，表3为1 kN荷载下不同盘底倾角下支盘处轴力的突变值.

表31 kN时不同盘底倾角下轴力突变值

Table 3Axial force mutation values of different bottom angle under 1 kN

盘底倾角/(°)20304560轴力突变值/N739.5779.5732.9713.9

从表3中可以看出：在四种不同的盘底倾角下，轴力突变值在30°时最大，也就说明在30°时支盘承受的荷载最大，与表二得出的结论一致，此时支盘桩具有最大的竖向承载力.

4桩周土体压力对比及分析

将试验得到的各土压力盒读数绘制成土压力变化曲线如图8，9所示.

图8　各倾角下盘底土压力变化曲线Fig.8　The curves of soil pressure under different bottom angle

图9　各倾角下桩端土压力变化曲线Fig.9　The curves of pile endpoint soil pressure under different bottom angle

从图8,9中可以看出:在本次试验中桩端土压力都比盘底土压力大，表4为1 kN荷载作用下各盘底倾角支盘桩的盘底和桩端土压力变化值.

表41 kN的荷载作用下各模型桩盘底和桩底的土压力变化值

Table 4Soil pressure variation of disk bottom and pile bottom of model pile under 1 kN

盘底倾角/(°)20304560盘底土压力/kPa28.5528.4632.6734.76桩端土压力/kPa47.7541.6450.3865.19

从表4可知：在荷载作用下盘底土压力增量随着盘底倾角的变大略有变化，但是承载性能最佳的盘底倾角30°时土压力增加最小，桩端的土压力增量也是如此，因此支盘桩的承载力并不是盘底或桩端土压力越大就越大，而是相反，此时盘底压力可以传递给更大范围的土体，即与盘荷载传给土体的作用方向有关.在本次试验中可以认为，当盘底倾角为30°时可以充分利用土体的承载力，支盘的荷载传递效果实现了最大化.

另外，桩侧布置的土压力盒读数都非常小，可见桩侧摩阻力传递荷载的范围是非常有限的，靠等直径桩的侧摩阻来承担荷载对于周围土体的利用是非常不充分的，这样导致的结果就会大大提高混凝土的用量，使得桩径变大从而提高桩的底面积与桩的侧表面积以增加其端承力和测摩阻力.

目前，支盘桩设计的承载力公式中[8]，承力盘的端承力多以土层极限端阻力乘以承力盘投影面积的形式计算，而没有考虑盘体底部的倾角对承载力的影响，这与本次试验结果不符，因此关于支盘桩的承载力计算还有许多值得研究和商榷的问题.

5结论

通过试验对比分析结果表明：支盘桩由于盘体形状(盘底倾角)的不同，其承载力是不同的；支盘桩盘底倾角与承载力的关系并不是同步增加或同步减小的，而是存在一个最佳倾角.试验结果表明：当盘底倾角分别为20°，30°，45°，60°时，盘底倾角30°时支盘桩的承载力最大；支盘桩的盘体底部与水平方向存在一定的倾角有利于盘传给土体的压力斜向扩散，可以使更大范围土体提供承载力.盘底倾角较小时，虽然土体作用在盘体上反力的垂直分量大，但由于土体受压缩范围小，产生的压缩变形大，甚至会较早沿盘周边生剪切破坏；而盘底倾角较大时，盘底与土体的摩擦作用增大，但盘土之间的摩擦力达到极限后，盘体易产生刺入破坏，从而产生很大的竖向变形.这就是本次试验盘底倾角为30°时支盘桩达到最大承载力的原因.

参考文献：

[1]卢成原,孟凡丽,王龙.模型支盘桩的试验研究[J].岩土力学,2004(11):1809-1813.

[2]中国工程建设标准化协会．挤扩支盘灌注桩技术规程[S]．北京：中国标准出版社，2005.

[3]李天宝,卢成原,王科元.支盘桩工作性状的模型试验研究[J].浙江工业大学学报,2008，36(3):290-294.

[4]段鸿海,白振安.支盘桩支盘的作用效果及荷载传递机理分析[J].建筑结构,2010(3):187-189.

[5]卢锡雷，卢成原，卢鸿凯.不同设盘支盘桩的水平承载性状研究[J].浙江工业大学学报，2011，39(1)：51-56.

[6]徐至钧，张晓玲，张国栋.新型桩—挤扩支盘灌注桩设计施工与工程应用[M].北京：机械工业出版社,2012.

[7]杨阳，王国才，金菲力.斜向荷载作用下桩群中设置斜桩对其沉降的影响分析[J].浙江工业大学学报，2012，40(1)：96-100.

[8]卢成原，李汉杰.支盘桩群桩抗拔承载性状试验研究[J].浙江工业大学学报，2014，42(3):298-301.

(责任编辑：刘岩)

中图分类号：TU473

文献标志码：A